Boosted Higgs-strahlung off a $W$ boson at next-to-next-to-next-to-leading order in QCD

Problème
La production associée d'un boson de Higgs avec un boson faible chargé ($pp \to W^+H$), connue sous le nom de Higgs-strahlung, est un processus critique pour scruter la brisure de la symétrie électrofaible et sonder la physique au-delà du Modèle Standard, particulièrement dans le régime boosté où le boson de Higgs possède une impulsion transverse élevée ($p_T^H$). Bien que les prédictions de sections efficaces totales inclusives pour ce processus soient connues jusqu'à l'ordre suivant-à-suivant-à-suivant-à-l'ordre (N3LO) en chromodynamique quantique perturbative (QCD), les prédictions différentielles ont été historiquement limitées à l'ordre suivant-à-suivant-à-l'ordre (NNLO). L'augmentation de la précision expérimentale anticipée pour le Grand collisionneur de hadrons à haute luminosité (HL-LHC) nécessite des prédictions théoriques à des ordres supérieurs, en particulier dans des régions fiduciales spécifiques de l'espace des phases. Des études antérieures ont indiqué que la série perturbative dans le régime boosté présente une faible convergence jusqu'à l'ordre NNLO, rendant les prédictions N3LO essentielles pour une phénoménologie fiable.

Méthodologie
Les auteurs présentent le premier calcul entièrement différentiel du processus $pp \to W^+ (\to e^+ \nu_e)H$ à l'ordre N3LO en QCD. Le calcul est effectué dans le cadre du découpage par $q_T$ ($q_T$-slicing), qui décompose l'espace des phases du rayonnement en utilisant un découpage de transverse momentum ($q_T^{\text{cut}}$) sur le système singulet de couleur ($WH$).

• En dessous du découpage ($q_T < q_T^{\text{cut}}$) : La contribution singulière est calculée à l'aide de l'expansion N3LO de la formule de resommation de puissance dominante pour le spectre du transverse momentum, implémentée via le cadre RadISH.
• Au-dessus du découpage ($q_T > q_T^{\text{cut}}$) : La contribution régulière est évaluée à l'aide d'un calcul NNLO pour le processus $pp \to W^+H + 1$ jet, calculé avec le cadre NNLOJET utilisant la méthode de soustraction d'antenne.
• Contributions Top-Yukawa : Le calcul inclut les contributions où le boson de Higgs se couple à une boucle de quarks top. Les corrections purement virtuelles sont traitées dans la limite de la masse du quark top lourde, tandis que la dépendance complète vis-à-vis de la masse du top est conservée pour les contributions impliquant des émissions réelles additionnelles. Ces corrections, commençant à $\mathcal{O}(y_t \alpha_s^2)$, sont calculées indépendamment et ajoutées à la section efficace.
• Configuration : L'étude considère des collisions proton-proton à $\sqrt{s} = 13,6$ TeV en utilisant l'ensemble de densités de partons NNPDF40 an3lo. Deux configurations cinématiques sont analysées : une configuration « boostée » définie par $p_T^H \geq 250$ GeV ou $400$ GeV, et une configuration « STXS » ajoutant une exigence de $p_T^W \geq 250$ GeV.

Contributions Clés

1. Premier calcul différentiel N3LO : Ce travail fournit la première prédiction différentielle N3LO en QCD pour le Higgs-strahlung autour d'un boson $W$ dans le régime boosté.
2. Validation de la méthodologie : Les auteurs valident leur approche en reproduisant les résultats connus des sections efficaces inclusives N3LO de la littérature, confirmant l'absence de corrections de puissance linéaires dans leur procédure de découpage et établissant $q_T^{\text{cut}} = 5$ GeV comme une valeur optimale.
3. Gestion des corrections de puissance : L'étude traite systématiquement les corrections de puissance linéaires de $\mathcal{O}(q_T^{\text{cut}}/Q)$ dans les configurations de découpage symétriques en les calculant explicitement et en les ajoutant à la contribution sous le découpage, garantissant que la dépendance résiduelle reste quadratique.
4. Intégration Top-Yukawa : Les contributions induites par le couplage Top-Yukawa, numériquement pertinentes à $\mathcal{O}(y_t \alpha_s^2)$, sont intégrées dans le cadre N3LO.

Résultats

• Convergence perturbative : Dans le régime boosté, la série perturbative jusqu'à l'ordre NNLO montre une faible convergence, les valeurs NLO ni NNLO ne se situant pas dans les bandes de variation d'échelle des ordres précédents. L'inclusion des corrections N3LO restaure la convergence.
• Corrections de section efficace : Les corrections N3LO augmentent la prédiction NNLO d'environ $+1,5\,\%$ à $+2\,\%$ dans la configuration boostée. Dans la configuration STXS, la correction est d'environ $+1,5\,\%$.
• Réduction de l'incertitude : La dépendance d'échelle résiduelle à l'ordre N3LO est réduite en dessous du niveau du pourcent (spécifiquement $0,5\,\% - 0,8\,\%$ selon la configuration), marquant une amélioration significative par rapport aux ordres précédents.
• Distributions différentielles : Le spectre de $p_T^H$ montre que les corrections N3LO augmentent généralement le résultat NNLO de $1,5\,\%$ à $2\,\%$ sur toute la plage boostée. Dans la configuration STXS, les corrections induisent des distorsions de forme, avec une petite correction négative près de $p_T^H \approx 250$ GeV et une correction positive plus importante ($2-3\,\%$) dans la queue de haute énergie.
• Incertitude d'échelle vs de découpage : L'incertitude associée à la procédure de découpage $q_T$ reste bien en dessous de la bande de variation d'échelle sur toute la plage cinématique affichée, démontnant un excellent contrôle numérique.

Signification
L'article affirme que ce calcul constitue un jalon pour le programme de précision du Higgs. En atteignant une précision QCD de l'ordre du pourcent et en réduisant considérablement la dépendance résiduelle vis-à-vis des échelles perturbatives, les résultats fournissent des prédictions de pointe nécessaires pour les analyses actuelles et futures du Higgs boosté au LHC et au HL-LHC. Les auteurs soulignent que les corrections N3LO dans le régime boosté ne peuvent pas être approximées par le passage à l'échelle des résultats inclusifs, soulignant la nécessité de calculs entièrement différentiels. Ces prédictions renforcent la viabilité du Higgs-strahlung comme sonde de précision de la dynamique du Modèle Standard et de la nouvelle physique potentielle, rapprochant la précision théorique des capacités expérimentales attendues pour le HL-LHC. Les auteurs notent qu'une investigation supplémentaire des effets électrofaibles et des effets mixtes QCD+EW est nécessaire pour atteindre pleinement l'objectif de précision du pourcent pour la phénoménologie du Higgs.